Gestione della memoria

Gestione della memoria • Background • Swapping • Allocazione contigua • Paginazione • Segmentazione Operating System Concepts

Background • Per poter essere eseguiti, i programmi devono essere portati in memoria e posti all’interno di un processo. • Coda di input — collezione di processi su disco in attesa di essere caricati in memoria per essere eseguiti. • I programmi utente passano attraverso stati diversi prima di essere eseguiti. L’associazione – binding– di istruzioni e dati a indirizzi di memoria può avvenire durante la fase di… • Compilazione: se la posizione in memoria del processo è nota a priori, può essere generato un codice assoluto; se la locazione iniziale cambia, è necessario ricompilare il codice; • Caricamento: se la posizione in memoria non è nota in fase di compilazione, è necessario generare codice rilocabile; • Esecuzione: se il processo può essere spostato a run–time da un segmento di memoria all’altro, il binding viene rimandato fino al momento dell’esecuzione. È necessario un opportuno supporto hardware per mappare gli indirizzi (ad esempio attraverso registri base e limite). Operating System Concepts

Elaborazione multistep dei programmi utente Operating System Concepts

Spazio di indirizzi logici e fisici • Il concetto di uno spazio di indirizzi logici nettamente distinto dallo spazio degli indirizzi fisici è centrale per la gestione della memoria. • Indirizzi logici — generati dalla CPU; chiamati altrimenti indirizzi virtuali. • Indirizzi fisici — indirizzi utilizzati nell’unità di memoria. • Gli indirizzi logici corrispondono agli indirizzi fisici negli schemi di binding in fase di compilazione e caricamento, mentre differiscono per il binding in fase di esecuzione. Operating System Concepts

Memory–Management Unit (MMU) • Dispositivo hardware che mappa indirizzi virtuali su indirizzi fisici. • Nello schema MMU, il valore contenuto nel registro di rilocazione viene sommato ad ogni indirizzo generato dai processi utente nel momento stesso in cui l’indirizzo viene inviato alla memoria. • Il programma utente ragiona in termini di indirizzi virtuali, né mai è (deve essere) conscio della loro mappatura fisica. Rilocazione dinamica ottenuta tramite registro di rilocazione Operating System Concepts

Caricamento dinamico • I sottoprogrammi non vengono caricati in memoria fino a quando non vengono richiamati. • Si ha un miglior impiego della memoria: sottoprogrammi non utilizzati non vengono mai caricati. • Utile quando si richiedono grandi quantità di codice per gestire situazioni che avvengono raramente (condizioni di eccezione). • Al SO non è richiesto alcun supporto speciale. Il caricamento dinamico viene implementato attraverso un opportuno progetto del software. Operating System Concepts

Link dinamico delle librerie • Il linking viene rinviato fino al momento dell’esecuzione. • Piccole porzioni di codice (dette stub) vengono impiegate per localizzare la routine appropriata nella libreria residente in memoria. • Lo stub rimpiazza se stesso con l’indirizzo dellaroutine e la esegue. • Il SO deve verificare che la routine si trovi nellospazio degli indirizzi (in memoria) del processo. Operating System Concepts

Overlay • Si mantengono in memoria solo istruzioni e dati necessari in un certo istante. Quando occorrono altre istruzioni, queste vengono caricate nello spazio che era precedentemente occupato dalle istruzioni che non vengono più utilizzate. • È richiesto quando un processo è più grande della memoria allocatagli. • L’esecuzione è rallentata a causa dell’operazione di I/O necessaria per caricare l’overlay. • Viene implementato dall’utente, non viene richiesto alcun supporto speciale da parte del SO. Il progetto di software con overlay è complesso. Overlay per un assemblatore a due passi Operating System Concepts

Swapping • Un processo può venir temporaneamente riversato (swapped) dalla memoria centrale alla backing storeda cui, in seguito, viene portato nuovamente in memoria per proseguire l’esecuzione. • Backing store — È un disco veloce, sufficientemente capiente da accogliere copie di tutte le immagini di memoria per tutti gli utenti; deve garantire accesso diretto a tali immagini. Può essere una partizione dedicata del disco (pochi movimenti della testina). • Roll out, roll in — È una variante dello swapping impiegata per algoritmi di scheduling basati su priorità; un processo a priorità più bassa viene riversato sulla memoria di massa, in modo tale da permettere che un processo a maggior priorità sia caricato ed eseguito. • La maggior parte del tempo di swap è impiegata per il trasferimento di dati; il tempo totale di trasferimento è direttamente proporzionale alla quantità di memoria riversata. • Se il binding viene effettuato in fase d’esecuzione, il processo sottoposto a swapping può successivamente essere riversato in uno spazio di memoria diverso. • Molti SO attuali supportano lo swapping, ad esempio UNIX e MS Windows. Operating System Concepts

Swapping Swapping di due processi utilizzando il disco come backing store Operating System Concepts

Allocazione contigua • La memoria principale viene suddivisa in due partizioni: • La parte residente del SO è generalmente memorizzata nella memoria bassa, insieme al vettore degli interrupt. • I processi utente sono memorizzati nella memoria alta. • Allocazione con partizione singola • Si impiega uno schema basato su registri base e limite per proteggere programmi e dati del SO e per proteggere reciprocamente i programmi utente. • Il registro di rilocazione contiene il valore del più piccolo indirizzo fisico di memoria allocata al processo; il registro limite contiene l’intervallo degli indirizzi logici: ciascun indirizzo logico deve essere inferiore al valore del registro limite. Supporto hardware ai registri base e limite. Operating System Concepts

Allocazione contigua • Allocazione con partizioni multiple • Nei primi SO si avevano partizioni di dimensioni fisse. • Un buco (hole) è un blocco di memoria disponibile; nella memoria sono sparsi buchi di varie dimensioni. • Quando viene caricato un nuovo processo, gli viene allocato un buco grande abbastanza da contenere il processo. • Il SO conserva informazioni su:a) Partizioni allocate b) Partizioni libere (buchi) SO SO SO SO processo 5 processo 5 processo 5 processo 5 processo 9 processo 9 processo 8 processo 10 processo 2 processo 2 processo 2 processo 2 Operating System Concepts

Problemi di allocazione dinamica della memoria Come soddisfare una richiesta di dimensione n a partire da un insieme di buchi? In ogni momento è presente un insieme di buchi di diverse dimensioni sparsi per la memoria. • First–fit: Viene allocato il primo buco grande abbastanza. • Best–fit: Viene allocato il buco più piccolo capace di contenere il processo. È necessario scandire tutta la lista dei buchi. Si produce il più piccolo buco residuo. • Worst–fit: Viene allocato il buco più grande. È ancora necessario ricercare in tutta la lista. Si produce il più grande buco residuo. First–fit e Best–fit sono mediamente migliori di Worst–fit, rispettivamente in termini di velocità e impiego di memoria. Operating System Concepts

Frammentazione • Frammentazione esterna — È disponibile lo spazio totaleper soddisfare una richiesta, ma non è contiguo. • Frammentazione interna — La memoria allocata può essere leggermente maggiore della memoria richiesta (pochi byte di differenza). La differenza di dimensioni è memoria interna ad una partizione che non viene impiegata. • Si può ridurre la frammentazione esterna con la compattazione • Si postano i contenuti della memoria per avere tutta la memoria libera contigua a formare un grande blocco. • La compattazione è possibile solo con la rilocazione dinamica e viene effettuata in fase d’esecuzione. • Si possono spostare tutti i processi verso un’estremità della memoria. Operating System Concepts

Paginazione • Un’altra soluzione alla frammentazione esterna è ottenuta consentendo la non contiguità degli indirizzi fisici, permettendo così di allocare la memoria fisica ai processi ovunque essa sia disponibile. • Si divide la memoria fisica in blocchi di dimensione fissa chiamati frame (la dimensione è una potenza del 2, compresa fra 512 e 8192 byte). • Si divide la memoria logica in blocchi della stessa dimensione chiamati pagine. • Si tiene traccia di tutti i frame liberi. • Per eseguire un programma di dimensione n pagine, è necessario trovare n frame liberi prima di caricare il programma. • Si impiega una tabella delle pagine per tradurre gli indirizzi logici negli indirizzi fisici. • Si ha solo frammentazione interna (relativa all’ultimo frame). Operating System Concepts

Schema di traduzione degli indirizzi • L’indirizzo generato dalla CPU viene suddiviso in: • Numero di pagina (p) — impiegato come indice in una tabella di pagine che contiene l’indirizzo base di ciascuna pagina nella memoria fisica. • Offset nella pagina(d) — combinato con l’indirizzo base per definire l’indirizzo fisico di memoria che viene inviato all’unità di memoria. Supporto hardware alla traduzione degli indirizzi. Operating System Concepts

Esempi di paginazione Esempio di paginazione per una memoria da 32 byte con pagine da 4 byte Modello di paginazione di memoria logica e memoria fisica Operating System Concepts

Esempi di paginazione Frame liberi Dopo l’allocazione Prima dell’allocazione Operating System Concepts

Supporto alla tabella delle pagine • La tabella delle pagine risiede in memoria centrale. Si ha una tabella per ogni processo. • Il registroPage–TableBase Register(PTBR) punta all’inizio della tabella. • Il registroPage–Table Length Register (PRLR) indica la dimensione della tabella. • Con questo schema, ogni accesso a dati o istruzioni richiede di fatto due accessi alla memoria: uno per la tabella e uno per le istruzioni/dati. • Il problema dei due accessi alla memoria può essere risolto per mezzo dei registri associativi(altrimenti detti translation look–aside buffer, TLB)attraverso i quali si effettua una ricerca parallela veloce su una piccola tabella. • Traduzione dell’indirizzo (A’, A’’) • Se A’ si trova nel registro associativo, si estrae il corrispondente # di frame dal registro A’’; • Altrimenti, occore fare un riferimento di memoria alla tabella delle pagine. # Frame # Pagina Operating System Concepts

Hardware di paginazione con TLB Operating System Concepts

Tempo di accesso effettivo • Lookup associativo =  unità di tempo. • Si suppone che un ciclo di memoria abbia la durata di 1 microsecondo. • Hit ratio — percentuale di volte che un numero di pagina viene reperito nei registri associativi; è correlata al numero di registri associativi. • Tempo di accesso effettivo (EAT, Effective Access Time) EAT = (1 + )  + (2 + )(1 – ) = 2 +  –  Operating System Concepts

Protezione della memoria • La protezione della memoria è implementata associando un bitdi protezione a ciascun frame. Vengono impediti accessi non autorizzati (eventualmente si possono avere bit separati per lettura e scrittura). • Un ulteriore bitdi validità viene associato ad ogni elemento della tabella delle pagine: • Un valore “valido” indica che la pagina è nello spazio degli indirizzi logici del processo, e quindi è una pagina legale. • Un valore “non valido” indica che la pagina non si trova nello spazio di indirizzi logici del processo. Bit di validità in una tabella delle pagine Operating System Concepts

Paginazione a due livelli • Paginazione gerarchica — quando lo spazio degli indirizzi logici è grande, la stessa tabella delle pagine viene paginata. Esempio semplice: paginazione a due livelli. • Un indirizzo logico (in architetture a 32 bit con dimensione della pagina di 4K) viene suddiviso in: • un numero di pagina di 20 bit; • un offset all’interno della pagina di 12 bit. • Dato che la tabella di paginazione è paginata, il numero di pagina viene ulteriormente suddiviso in: • un numero di pagina di 10 bit; • un offset di 10 bit. • Un indirizzo logico è costituito da: offset Numero di pagina p1 è un indice nella tabella esterna, e p2 è lo spostamento all’interno della pagina indicata dalla tabella esterna. p1 p2 d 12 10 10 Operating System Concepts

Schema di tabella delle pagine a due livelli • Dato che ciascun livello viene memorizzato come una tabella separata in memoria, la traduzione di un indirizzo logico in uno fisico può richiedere tre accessi alla memoria. • Anche se il tempo richiesto per un accesso alla memoria è triplicato, la presenza di cache consente di mantenere prestazioni ragionevoli. Operating System Concepts

Schema di traduzione degli indirizzi • Traduzione degli indirizzi per un’architettura a 32 bit con paginazione a due livelli. Operating System Concepts

Tabella delle pagine invertita • Un elemento della tabella per ogni frame. • Gli elementi della tabella contengono l’indirizzo virtuale della pagina memorizzata nel dato frame, con informazioni sul processo che possiede tale pagina. • Riduzione della memoria richiesta per memorizzare ciascuna tabella delle pagine; incremento del tempo necessario per ricercare nella tabella quando si ha un riferimento a pagina. • Notare che è necessario ricercare su tutta la tabella! Si impiegano tabelle hash per limitare la ricerca ad uno — o al più pochi — elementi della tabella. Ciascun indirizzo virtuale è formato dalla tripla: <# processo, #pagina, offset> Operating System Concepts

Pagine condivise • Codice condiviso • Una copia di codice a sola lettura (reentrant) viene condivisa fra processi (ad esempio: text editor, compilatori, sistemi a finestre). • Il codice condiviso deve apparire nella stessa locazione nello spazio degli indirizzi logici di tutti i processi. • Codice e dati privati • Ciascun processo mantiene una copia separata dei dati e del codice. • Le pagine di codice e dati privati possono apparire ovunque nello spazio degli indirizzi logici. Operating System Concepts

Esempio di pagine condivise Condivisione di codice in un ambiente di paginazione: Editor contenuto in tre pagine Operating System Concepts

Segmentazione • Schema di gestione della memoria che asseconda la visione utente (l’utente generalmente non pensa alla memoria come ad un array lilneare di byte). • Un programma è una collezione di segmenti. Un segmento è un’unità logica, come ad esempio: programma principale (main), procedura, funzione, metodo, oggetto, variabili logiche, variabili globali, blocco common, stack, tabella dei simboli, matrici. …il mio codice… Operating System Concepts

Schema logico di segmentazione 1 4 2 3 1 2 3 4 Spazio utente Spazio fisico di memoria Operating System Concepts

Architettura per la segmentazione • Gli indirizzi logici sono rappresentati da coppie: <#segmento, offset> • Tabella dei segmenti — mappa gli indirizzi fisici bidimensionali; ciascun elemento della tabella contiene: • base — indirizzo fisico iniziale della memoria contenente il segmento. • limite — specifica la lunghezza del segmento. • Il registro Segment–Table Base Register(STBR) punta alla locazione in memoria della tabella dei segmenti. • Il registro Segment–Table Length Register(STLR) indica il numero di segmenti utilizzati dal programma; un numero di segmento s è legale se s < STLR. Operating System Concepts

Architettura per la segmentazione • Rilocazione: Dinamica, con tabella dei segmenti. • Condivisione: Si ottengono segmenti condivisi, puntando allo stesso numero di segmento. • Allocazione: First fit/Best fit. Possibile frammentazione esterna. • Protezione: Si associa a ciascun elemento della tabella dei segmenti: • bit di validità = 0  segmento illegale • privilegi read/write/execute • Bit di protezione associati ai segmenti; la condivisione di codice viene implementata a livello di segmento. • Dato che i segmenti variano di dimensione, l’allocazione della memoria è dinamica. Operating System Concepts

Hardware di segmentazione Operating System Concepts

Segmentazione Condivisione di segmenti in un sistema con memoria segmentata Esempio di segmentazione Operating System Concepts

Gestione della memoria